低温钢概述

20世纪30年代以来，国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低，性质变脆。这个温度(实际上足一个温度范围)叫做脆性临界转变温度。随着科学技术的发展，为了适应低温的要求，人们研制了各种低温钢。

钢的低温机械性能与它的晶体结构有很大关系，几乎所有钢种的强度、硬度和弹性模量都随着温度的降低而提高。而大部分钢的塑性和韧性却随温度的降低有不同程度的降低。其中，一类钢种随着温度下降，屈服强度迅速提高到强度极限的数值，从而转向脆性破坏；另—类钢种则随着温度的下降，其强度提高，而塑性和韧性指标仍保持较高数值。前者通常具有体心立方晶格，叫做冷脆体：后者一般具有面心立方晶格，叫做非冷脆体。因此，具有面心立方晶格的金属材料，如奥氏体不锈钢，在低温技术中首先得到应用。随着对低温钢需求量的增大和使用温区的多样化，各国已研制出许多低合金低温钢。

对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。

在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。

低温钢一般在碱性感应电炉、电弧炉中进行冶炼。出钢温度和浇铸温度均不宜过高，过高的出钢温度会使钢水中气体增多：过高的浇铸温度则导致晶粒粗大，因而降低低温韧性。

热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。

根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。根据成分和金相组织的区别，低温钢可分为：低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。低合金钢一般在一100℃左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9％镍钢广泛应用于一196℃的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。但是，由于它含铬、镍较多，因而比较昂贵。

随着低温技术的发展，一定会有更多更好的低温钢问世。

适于在0℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度；③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷

收缩率等。低温钢按晶体点阵类型一般可分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。

铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。附图表示含碳0.2％碳钢冲击值与温度的关系,其转变温度在-20℃左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。

铁素体低温钢按成分分为三类：①低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0. 6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％, Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。③中（高）合金钢。主要有6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。

奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：①Fe-Cr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr

-Ni-Mn-N 系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N和0 Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。③Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。

使用范围低温钢在石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃,个别设备中达-150℃,可分别采用低合金钢、3～6％镍钢或9％镍钢。在空气分离设备中，最低工作温度达-196℃,一般采用9％镍钢或奥氏体低温钢。工作温度为-253℃的液氢生产、贮运设备，工作温度为-269℃的液氦设备，均应采用组织结构稳定的奥氏体低温钢。而某些特殊设备如超导磁体或超导电机，宜采用在工作温度以下除有稳定的奥氏体组织外,还要能保持极低磁导率(μ)≤1.01或更低）的钢种。

一些具有较高低温韧性的铁镍基和镍基高温合金如A-286、Inconel718、InconelX-750 等也常用于需要高强度的低温设备上。